JP2014122651A

JP2014122651A - 減速機

Info

Publication number: JP2014122651A
Application number: JP2012278052A
Authority: JP
Inventors: Shinya Ida; 信也井田
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP5998423B2

Abstract

【課題】減速機の外径サイズを増大させることなく、中空クランク軸の中空穴の内径を大きくし、剛性、精度，予圧をも確保する。
【解決手段】中空円筒状のクランク軸２偏心円筒部２ｂ，２ａを内輪側で挟持するように第一及び第二軸受３ｂ，３ａを設け、外輪を第一及び第二キャリア１５，１６側に設ける。第一及び第二キャリアの外周部に第三及び第四軸受１７ｂ，１７ａの内輪を嵌合させ、外輪でフレーム1を挟持する。薄板円弧断面状の脚部２２と出力ピン１１を第一及び第二キャリア間に固定する。脚部を第一キャリアと一体に形成し、複数の脚部の先端部からなる外周をねじ外径とする外ねじ２３を先端に設け、第二キャリアを貫通して外ねじを突出させ、複数の外ねじに螺合する内ねじ部材１８により、第一キャリアに第二キャリアを挟持固定させ、さらに第一乃至第四軸受を挟持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空クランク軸からの入力を内外歯車の相対回転差を出力として取り出す減速機、好ましくはロボットの関節部分に使用される減速機に関する。

従来、ロボット用の減速機においては、限られた外径サイズの中で減速機内部を中空として、その中空部にロボット制御用等の配線を通すことによって、スペースの有効活用を図っている。さらに、ロボットの小型・軽量化及びロボット制御用の配線の数の増大に伴い、減速機の大きさをそのままにして、中空部の穴径を大きくしたい。

そこで、特許文献１においては、内歯車に噛み合う歯付き円盤（外歯車）が偏心駆動されるように設けられた中空円筒状のクランク軸（中空軸）の偏心円筒部（カム）の軸方向を円錐ころ軸受で挟持する。さらに、テーパころ軸受の外輪を第一及び第二キャリアで挟持する。また、第一及び第二キャリアの外周と内歯車が設けられたフレーム（ハウジング）との間もテーパころ軸受で軸方向に挟持している。これにより、剛性を維持し、歯付き円盤を公転可能に支持する出力ピンの径を細くすることにより、軸の穴径を大きくしている。なお、出力ピンは第一及び第二キャリア間にボルトで固定されている。

一方、外歯車が遊星歯車であって、中空円筒状クランク軸ではないが、特許文献２においては、薄板円弧状断面の脚部によりキャリアを結合している。また、特許文献３の第１２図の第５実施例においては、中空円筒状クランク軸ではなく、出力ピン側を偏心させたものであるが、複数の出力ピンの間に繭状の穴と、穴を貫通する繭状の脚部を設けている。

特開２０００−６５１６２号公報特開２００２−２１９４６号公報実公平４−２９９８６号公報

そこで、かかる弧状断面の脚部を特許文献１のものに追加することにより、中空穴の径方向の増大を図ることが可能と考えられる。しかし、ロボットの関節用に使用する場合は、頻繁な正逆回転、加減速、停止等が行われる。このため非常に高い回転精度が要求され、また、ガタやバックラッシを少なく、剛性を高くしたい。しかし、特許文献２のものでは、外歯車が遊星歯車であり、軸方向の寸法規制はあまり必要としない。このため、脚部とキャリアとの固定は溶接、かしめ等であり、組付け精度、特に軸方向の軸受の予圧管理はできず、剛性も低いという問題があった。また、特許文献３のものでは、軸方向の精度を高くできるが弧状あるいは繭状断面の脚部とキャリアとの固定をボルトで行っているので、径方向の寸法を小さくすることができず、クランク軸の中空穴を大きくできないという問題があった。

本発明の課題は、かかる問題点に鑑みて、中空クランク軸からの入力を内外歯車の相対回転差を出力として取り出す減速機のキャリアの脚部を円弧状断面とし、中空クランク軸の中空穴径を拡大し、さらには、軸方向精度を確保し、かつ軸方向予圧管理を可能とし、剛性の高い減速機を提供することである。

本発明においては、モータの入力軸に係合して回転するとともに、その外周部分に偏心円筒部が設けられた中空円筒状のクランク軸と、前記クランク軸の偏心円筒部の軸方向を内輪側で挟持するように設けられた第一及び第二軸受と、前記第一及び第二軸受の外輪がそれぞれ嵌合された第一及び第二キャリアと、前記第一及び第二キャリアの外周部に内輪がそれぞれ嵌合された第三及び第四軸受と、前記第三及び第四軸受の外輪側で挟持されて相対回転可能にされたフレームと、前記フレームの内側に設けられ内歯と、前記偏心円筒部に偏心用軸受を介して係合し、前記クランク軸の回転に伴って偏心運動する前記内歯と噛み合うようにされた外歯が設けられた１以上の歯付き円盤と、前記歯付き円盤に複数設けられた出力ピン開口穴に挿通され前記歯付き円盤を公転運動可能に支持し、かつ前記歯付き円盤の自転運動を取り出す出力ピンと、前記歯付き円盤に複数設けられた繭状穴を貫通する薄板円弧断面状の脚部と、を備え、前記出力ピンと、前記脚部とが前記第一及び第二キャリア間に固定された減速機であって、
前記脚部は前記第一キャリアと一体に形成され、前記複数の脚部の先端部からなる外周をねじ外径とする外ねじが前記脚部の先端にそれぞれ設けられ、前記複数の外ねじが前記第二キャリアを貫通して突出し、前記複数の外ねじに螺合する内ねじ部材により、前記第一キャリアに前記第二キャリアを挟持固定するようにされている減速機を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、第一キャリアの薄板円弧断面状の脚部の先端の外周面に設けられた雄ねじ部を内ねじ部材（ナット）で螺着することにより、第二キャリアを第一キャリアと内ねじ部材とで挟持固定する。これにより、第一キャリアと第二キャリアとを軸方向に互いに近づく方向に付勢しながら、一体固定される。同時に第一乃至第四軸受を挟持して予圧を与える。なお、内ねじの回り止めや、脚部側に段差を設けてストッパとすることにより締め付け位置を規制できる。

また、請求項２に記載の発明においては、前記出力ピン開口穴と、前記繭状穴とは、軸方向からみて円周方向に交互に配置されている減速機とした。出力ピン開口穴と、繭状穴の位置は適宜配置できるが、円周状に交互に配置することにより、径方向厚みを小さくできる。

本発明においては、クランク軸からの入力を内外歯車の相対回転差を出力として取り出す減速機において、第一キャリアの薄板円弧断面状の脚部と内ねじ部材（ナット）とで、第二キャリアを挟持固定し、第一キャリアと第二キャリアとを軸方向に互いに近づく方向に付勢し、第一乃至第四軸受を挟持して予圧を与えるようにしたので、軸方向精度を確保し、かつ軸方向予圧管理が可能であり、さらには剛性の高い減速機を提供するものとなった。また、従来の減速機のように、キャリア及び脚部にボルト穴や雌ねじを形成しないので、第１及び第２のキャリアの肉厚も薄くでき、それに伴って中空クランク軸の中空穴の内径を大きくすることができる。

また、請求項２に記載の発明においては、出力ピン開口穴と、繭状穴の位置を円周状に交互に配置し径方向厚みを小さくできるので、第１及び第２のキャリアの肉厚も薄くでき、中空クランク軸の中空穴の内径をさらに大きくすることができる。

なお、締結手段は、軸方向の付勢が可能な弾性体を介して、例えばスナップリング、キー、ピン等を用いてもよいが、本発明の雄ねじとナットの組合せが構造も簡単で精度も確保し易く、取扱も容易である。

本発明の実施の形態を示す減速機が組み込まれたロボットの関節部分の縦断面図である。図１のキャリア及び軸受部の部分拡大図である。図１のＸ−Ｘ線部分拡大断面図である。本発明の実施の形態を示す（ａ）は第一キャリアの左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。本発明の実施の形態を示す（ａ）は第二キャリアの左側面図、（ｂ）は正面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態においては、クランク軸が減速機の軸心に配置され、モータの入力軸が軸心からオフセットされた偏心位置に配置されたセンタークランク式偏心揺動型減速機（以下、単に「減速機」と記載する。）の例について説明する。

図１に示すように、図示しないロボットのアーム本体及びモータが接続固定される基台１０と、基台１０にキャリア１３を介して連結される減速機１００と、減速機のフレーム（出力部材）１にボルト３３により接続固定された旋回体２０とを備える。基台１０と旋回体２０とは減速機１００を介して互いに相対回転され、ロボットの関節部を構成する。また、旋回体２０の軸心部分には、ロボット制御用の配線（図示せず）とクランク軸２の内周面との干渉を避けるための保護円筒体３４が取り付けられている。

図１及び図２に示されるように、減速機１００を構成するフレーム１（出力部材）の軸心には、クランク軸２が配置されている。クランク軸２は中空円筒形状であり、その外周部分における軸方向のほぼ中央部に一対の偏心円筒部２ａ、２ｂが軸方向に並んで設けられている。一対の偏心円筒部２ａ，２ｂの偏心の位相は、互いにずれている（例えば１８０°）。クランク軸２の一方（図２の図面視における右側）の偏心円筒部２ａよりも右側の部分と、同じく他方（図２の図面視における左側）の偏心円筒部２ｂよりも左側の部分は各偏心円筒部２ａ，２ｂよりも外径が小さくなっており、これらの部分に一対のテーパころ軸受（第一及び第二軸受）３ｂ，３ａの内輪が互いに大径部側を内側にして装着されている。

クランク軸２の左側の偏心円筒部２ｂよりもさらに左側の部分（クランク軸２の先端部）には、その全周に亘って雄スプライン部４が形成されている。雄スプライン部４は、歯車５の内周に形成された雌スプラインに係合されている。歯車５の外周には外歯車が形成されている。一方、基台１０には、図示しないモータのモータ軸６が、その軸方向を減速機１００のフレーム１の軸線に沿わせ、かつ軸心から所定の長さだけオフセットされた位置に取り付けられている。モータ軸６の先端部には歯車５の外歯車に係合する歯部が形成されており、歯車５を介してクランク軸２のスプライン部４に連結されている。これにより、図示しないモータを駆動させてモータ軸６を回転させると、クランク軸２が所定方向に回転する。なお、本実施の形態では、クランク軸２と歯車５とはスプライン結合によって連結されているが、クランク軸２と歯車５を一体に形成してもよい。

クランク軸２の各偏心円筒部２ｂ，２ａの外周面には、ニードル軸受７ｂ，７ａが装着されている。一対のニードル軸受７ｂ，７ａの外周部分には、外周面にそれぞれ外歯９ａ，８ａが形成された各歯付き円盤９，８が回転可能に取り付けられている。一対の歯付き円盤９，８の構成は位相がずれていることを除いて同一なので、歯付き円盤９についてのみ説明する。図３に示すように、歯付き円盤９の周縁部には、ぺリサイクロイド曲線より成る多数（例えば３９本）の外歯９ａが一定角度をおいて波状に形成されている。また、歯付き円盤９の周縁部で外歯９ａよりも内側の部分には、各出力ピン１１を貫通させる複数の出力ピン開口穴１２とキャリア１３に設けられた薄板円弧状断面の脚部２２（後述）を貫通させる複数の繭状穴１４が設けられている。各出力ピン開口穴１２は出力ピン１１の外径よりも大きな円孔であり、各繭状穴１４は脚部２２よりも大きい。各出力ピン開口穴１２と各繭状穴１４は、軸方向視において略同一円周上に、かつそれらが交互になるように配置されている。

フレーム１の内側には、多数（例えば４０本）の外ピンからなる内歯３１が回転自在に設けられている。内歯３１の歯数に対して歯付き円盤の外歯９ａ，８ａの歯数（例えば３９歯）は少なくされており、内歯３１と歯付き円盤９，８の外歯９ａ，８ａとが噛み合うように、内歯３１の内側に歯付き円盤９，８が配置されている。

クランク軸２の外方には、略円筒形状のキャリア１３が配置されている。キャリア１３は、図１の図面視における左方に配置される第一キャリア１５と、同じく右方に配置される第二キャリア１６、及び第一キャリアから第二キャリアに向かって延びる薄板円弧状断面の脚部２２と、ナット１８とから一体に構成される。

図２に示されるように、第一キャリア１５は、テーパころ軸受３ｂと玉軸受１７ｂによって支持される厚肉の中空円板形状の基部２１と、基部２１から第二キャリア１６に対して軸方向に沿って突出する薄板円弧状断面の脚部２２とからなる。図４に示すように、第一キャリア１５の脚部２２は、各出力ピン１１との干渉を避けるため円周方向に複数本設けられている。各脚部２２の先端に複数の脚部の先端部からなる外周をねじ外径とする外ねじ２３がそれぞれ設けられている。各脚部全体として、雄ねじ部２３を形成している。脚部２２の基部端面には、各出力ピン１１の端部を嵌合させて支持するための出力ピン支持穴２６が設けられている。脚部２２の剛性を高くするため、基部２１と脚部２２との接続部１９を大きなアールを有する曲面形状としたり、接続部１９の肉厚を厚くしたりすることが望ましい。また、基部２１の反脚部側端面には、基台１０と連結するボルト２４を螺合させるための多数本の雌ねじ部２１ａが、円周方向に一定の角度をおいて形成されている。また、モータ軸６を配置するための逃し穴２５が設けられている。

一方、第二キャリア１６は、図５に示されるように、鍔１６ａ付きの長さの短い円筒形状（リング状、環状）である。第二キャリア１６には、軸方向に沿って各出力ピン１１の端部を嵌合させて支持するための出力ピン支持穴２７と、第一キャリア１５から延出する脚部２２が嵌合・貫通するための脚部支持開口穴２８が設けられている。第二キャリアの反支持ピン穴側には小径部１６ａが形成されている。小径部１６ａは、脚部の内径とほぼ同一にされ、脚部２２の内径側円弧が嵌合する。第一キャリアの脚部２２を第二キャリアの脚部支持開口穴２８に嵌合・貫通させて、鍔１６ｂより突出する外ねじ２３に、内ねじ部材（ナット）１８が螺着され、第一及び第二キャリアが一体に組み立てられる。ナット１８と鍔１６ａとの間に座金２９が設けられナットの緩み止めと位置決めが可能にされている。

図１及び２に示すように、キャリア１３は第一及び第二キャリア１５，１６が脚部２２とナット１８とを螺合させて一体に固定化された状態とされる。このとき、キャリア１３の内径側は、クランク軸２の偏心円筒部２ｂ，２ａの両側に互いに大径部側を内側にして装着された内輪からなる一対のテーパころ軸受（第一及び第二軸受）３ｂ，３ａの外輪を挟持するように組み立てられ、第一及び第二キャリア１５，１６とで、テーパころ軸受（第一及び第二軸受）３ｂ，３ａ及び偏心円筒部２ｂ，２ａを挟持して、予圧を与える。

同様に、キャリア１３の第一及び第二キャリアの外周部に内輪がそれぞれ嵌合された第三及び第四（玉）軸受１７ｂ，１７ａが設けられ、第三及び第四軸受の外輪側でフレーム１の一部及び内歯（ピン）３１を挟持して、フレーム１とキャリア１３が相対回転可能に支持されている。第三及び第四軸受の内輪は互いに外側が大径となるように、また、外輪は互いに外側が小径となるように装着され、第一及び第二キャリア１５，１６とで、第三及び第四軸受１７ｂ，１７ａ及びフレーム１の内歯部を挟持し予圧を与える。

このように、本実施の形態においては、キャリア１３を薄板円弧状断面の脚部２２の雄ねじ２３とナット１８で結合一体化するとともに、クランク軸２、フレーム１を挟持回転支持する第一乃至第四軸受に予圧を与えることができる。

次に、本実施の形態の作用について説明する。図１ないし図３に示されるように、図示しないモータを作動させてモータ軸６を回転させると、クランク軸２が所定方向に回転する。クランク軸２の偏心円筒部２ａ，２ｂにより、一対の歯付き円盤８，９が回転する。このとき、各歯付き円盤８，９の外歯８ａ，９ａが、各外ピン３１を乗り越えるような動作を行い、それによりフレーム１は押されて、本実施の形態の場合は、外ピン３１の１ピッチ分だけ回転する。各外歯８ａ，９ａが１つの外ピン３１を乗り越えるのは、一対の偏心円筒部２ａ，２ｂが１回転したときであるから、フレーム１とキャリア１５との減速比は、本実施の形態の場合、１／外ピン３１の数（外ピン３１の数が４０本であるから、減速比は１／４０）となる。なお、本実施の形態の減速機の減速比は、（(歯付き円盤８，９の外歯８ａ，９ａ数−外ピン３１の本数)／外ピン本数）×（モータ軸６の歯車歯数／クランク軸２の歯車５の歯数）となり、１００以上の高い減速比が得られる。

第１キャリア１５の脚部２２が各歯付き円盤８，９のキャリア開口１４を通って、第２キャリア１６の脚部支持開口２８に挿入される。この状態で脚部２２先端の雄ねじ部２３は、脚部支持開口２８から抜け出て第２キャリア１６の小径部１６ａに配置される。このとき、脚部２２の内周面は、僅かな隙間をもって小径部１６ａの外周面に配置される。そして、脚部２２の雄ねじ部２３に座金２９（菊座金）を介してナット１８が螺合、締め込まれ、第一キャリア１５と第二キャリア１６が、一対のテーパころ軸受３ｂ，３ａ、一対の玉軸受７ｂ，７ａ及びフレーム１を挟み込んで予圧をかけた状態で一体に固定される。このため、第一キャリア１５と第二キャリア１６とにおける軸方向の長さは、一対のテーパころ軸受３ｂ，３ａ、一対の玉軸受１７ｂ，１７ａ及びフレーム１によって規制される。

第一キャリア１５の脚部２２の先端の外ねじ２３は、ナット１８で螺合、締め込まれることにより、第二キャリア１６と一体的に構成される。このため、第一キャリア１５の脚部２２の肉厚が薄くても、その剛性が低下するおそれはない。そして、脚部２２の肉厚を薄くできる分だけ、クランク軸２を脚部２２の内周面に接近させることができ、その結果、中空クランク軸２の中空穴の内径を大きくすることができる。

なお、本実施の形態では、基台をロボットのアーム本体等に連結し、フレーム側を出力側としたが、逆に、フレーム側を本体等に連結し、基台側を旋回体としてもよい。また、第一乃至第四軸受はそれぞれテーパころ軸受、アンギュラ玉軸受としているが、逆でも、同じでもよく、これに限定されるものでなく軸方向予圧を与え、剛性を高めることができる軸受であればよい。さらに、本発明は中空クランク軸タイプの減速機に適しているが、他の減速機についても適宜適用できることは言うまでもない。

１フレーム（出力部材）
２（中空）クランク軸
２ａ、２ｂ偏心円筒部
３ａ、３ｂ第二、第一軸受（テーパころ軸受）
６モータ軸（入力軸）
７ａ、７ｂ偏心用軸受（ニードル軸受）
８、９歯付き円盤
８ａ、９ａ外歯
１１出力ピン（ピン）
１２出力ピン開口穴
１３キャリア
１４繭状穴
１５第一キャリア
１６第二キャリア
１７ａ、１７ｂ第四、第三軸受（玉軸受）
１８内ねじ部材（ナット）
２２脚部
２３外ねじ
３１内歯（外ピン）
１００減速機

Claims

モータの入力軸に係合して回転するとともに、その外周部分に偏心円筒部が設けられた中空円筒状のクランク軸と、
前記クランク軸の偏心円筒部の軸方向を内輪側で挟持するように設けられた第一及び第二軸受と、
前記第一及び第二軸受の外輪がそれぞれ嵌合された第一及び第二キャリアと、
前記第一及び第二キャリアの外周部に内輪がそれぞれ嵌合された第三及び第四軸受と、
前記第三及び第四軸受の外輪側で挟持されて相対回転可能にされたフレームと、
前記フレームの内側に設けられ内歯と、
前記偏心円筒部に偏心用軸受を介して係合し、前記クランク軸の回転に伴って偏心運動する前記内歯と噛み合うようにされた外歯が設けられた１以上の歯付き円盤と、
前記歯付き円盤に複数設けられた出力ピン開口穴に挿通され前記歯付き円盤を公転運動可能に支持し、かつ前記歯付き円盤の自転運動を取り出す出力ピンと、
前記歯付き円盤に複数設けられた繭状穴を貫通する薄板円弧断面状の脚部と、を備え、
前記出力ピンと、前記脚部とが前記第一及び第二キャリア間に固定された減速機であって、
前記脚部は前記第一キャリアと一体に形成され、前記複数の脚部の先端部からなる外周をねじ外径とする外ねじが前記脚部の先端にそれぞれ設けられ、前記複数の外ねじが前記第二キャリアを貫通して突出し、前記複数の外ねじに螺合する内ねじ部材により、前記第一キャリアに前記第二キャリアを挟持固定するようにされていることを特徴とする減速機。
前記出力ピン開口穴と、前記繭状穴とは、軸方向からみて円周方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１記載の減速機。